直线电机和执行器现在与滚珠丝杠和皮带传动相比具有成本竞争力,并为先进的定位应用提供了明显优越的灵活性和带宽。新的微电机和执行器正在帮助自动化以前不可行的任务。直接线性驱动正在越来越多地取代伺服控制的气动气缸,提供可靠性和可控性,免除空气压缩机的成本、噪音和维护。

图1所示。直线电机定位阶段提供了一个坚固的,具有成本竞争力的drop-in升级的滚珠丝杠和伺服气动定位机制。

在半导体行业要求的推动下,直线电机制造商稳步提高了精度,降低了价格,开发了多种电机类型,简化了自动化设备的集成。现代直线电机提供20g的峰值加速度和10米/秒的速度,提供无与伦比的动态敏捷性,最小化维护,成倍的正常运行时间。它们已经超越了专门的半导体工业用途,在应用主机中提供先进的性能。

直线直接驱动技术的速度和使用寿命是滚珠丝杠的十倍,通常是提高生产率自动化的唯一解决方案。

动态的优势

传统定位机构的动态性能受到丝杠、齿轮系、皮带传动和柔性联轴器的限制,产生滞后、侧隙和磨损。类似地,气动执行器受到活塞质量和活塞缸摩擦以及空气压缩的影响,这就产生了伺服控制的复杂性。直线电机和执行器摆脱了传统定位器的质量和惯性,摆脱了这些基本限制,提供了无与伦比的动态刚度。

直接驱动力的创造使直线电机和执行器实现闭环带宽无法替代定位机制。电机和执行机构能够充分利用现代控制器。这些控制器调整为高回路增益操作,实现宽带宽控制,快速解决,并从瞬态扰动快速恢复。

直线电机和执行器擅长在静摩擦区进行毫米距离的移动。它们的质量低,静摩擦小,使启动行程所需的驱动力最小化,并简化了控制系统在停止时防止超调的任务。这些特性使得直接驱动电机和执行器能够扫描显微镜载玻片,并绘制仅相隔毫米的工件的X-Y位置。

需要快速重复运动的应用可以利用线性驱动器的高带宽,使滚珠丝杠或带传动的吞吐量翻倍。机器切片材料的长度(纸,塑料,甚至尿布)最大限度地通过操作而不停止材料流。为了进行动态切割,这种机器加速切割刀片,使其与物料流动同步,以物料的速度移动到切割位置,然后开始切割。切割完成后,刀片返回到起点,等待下一个循环切割周期。

直线电机类型

三种基本的直线电机配置是可用的:平床,u型通道,和管状电机。每个马达都有其固有的优点和局限性。

平床电机,虽然提供无限的行程和最高的驱动力,发挥相当大的和不良的磁性吸引力之间的负载力和电机的永磁体轨道。这种吸引力需要轴承来支持额外的负载。

u型通道电机,其无铁核心,具有低惯性,因此最大的灵活性。然而,力的负载载磁线圈在u型通道框架内深入旅行,限制热量的去除。

管状直线电机坚固耐用,热效率高,安装最简单。它们提供滚珠丝杠和气动定位器的替换。管状电机的永磁体包裹在一个不锈钢管(推力杆)中,推力杆支撑在两端。没有额外的推力杆支撑,负载行程限制在2 - 3米,取决于推力杆直径。

图2。直线伺服电机有平床(TOP), u型通道(中心)和管式(底部)风格。

在所有三种电机类型中,管状电机是主流工业使用的最佳设备。管状直线电机从一项基本的工程创新中获得了巨大的利益。Copley Controls的直线电机取代了传统的外部线性编码器与集成霍尔传感器。一种专利磁路使霍尔效应传感器在分辨率和重复性上实现了几乎10倍的提高。

由于线性编码器的成本几乎与直线电机本身一样高,因此消除它们是一个重大的成本降低。这也简化了线性电机集成到自动化系统,因为没有挑剔的编码器支持和对齐。其他优点还包括坚固性、可靠性和不需要受保护环境的编码器。

管状直线电机可以转化为强大的,通用的直接驱动直线执行器。在执行器化身,力保持静止(螺栓到机架),而负载定位推力杆旅行在低摩擦,润滑无轴承安装在力。除了优于滚珠丝杠和皮带传动外,线性驱动器是可编程伺服-气动定位系统的高性能替代方案。

管状直线电机使自己的生产力倍增应用与两个独立的力操作在一个推力杆。每个力都有自己的伺服驱动器,可以完全独立于其他。例如,一个力可以加载,而另一个力可以卸载。该技术可以通过提升两个项目,从一个快速移动的传送带,并将他们与精度放在第二个传送带上,一次两倍的吞吐量。

类似地,在一个推力杆上运行的多个力可以增加两倍、三倍甚至四倍的驱动力。力可以由一个控制器操作。

图3。管状直线电机取代外部位置编码器与集成霍尔传感器,带来成本,性能和应用效益。

直线电机承载力旅行长寿命,单轨轴承。相比之下,滚珠丝杠旋转到直线转换机制涉及额外的磨损来源,降低性能和缩短寿命。

直线执行器推力杆滑动在长寿命,润滑无轴承安装在力。这种内在的简单性使执行器能够提供1000万个操作周期。执行机构轴承是自调心,易于安装。驱动器的驱动力直接应用于推力杆,提高加速度和响应能力。

随着外部编码器被集成到力器中的固态传感器取代,直接驱动电机和执行器成为非常简单的双部件设备。力杆和推力杆本质上都是非常坚固的部件,使电机和执行机构符合国际IP67的洗涤等级。

没有磨削齿轮和旋转丝杠给直线电机和执行器提供了越来越重要的低噪声运行条件。OSHA紧跟欧洲工业法规的脚步,对工作场所的噪音制定了越来越严格的规定。在实验室和医院环境中,安静的操作已经非常重要;随着OSHA将其规定扩展到其他生产环境,这种担忧将越来越普遍。

本文作者是马萨诸塞州坎顿Copley Motion Systems LLC的副总裁George Procter。有关详细信息,请单击在这里


运动控制技术杂志

本文首次发表于2008年4月号运动控制技术杂志。

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